El calentamiento por inducción es un proceso que se utiliza para unir, endurecer o ablandar metales u otros materiales conductores. Para muchos procesos de fabricación modernos, el calentamiento por inducción ofrece una atractiva combinación de velocidad, consistencia y control.
Los principios básicos del calentamiento por inducción se han entendido y aplicado a la fabricación desde la década de 1920. Durante la Segunda Guerra Mundial, la tecnología se desarrolló rápidamente para cumplir con los requisitos urgentes de tiempo de guerra para un proceso rápido y confiable para endurecer las piezas metálicas del motor. Más recientemente, el enfoque en las técnicas de fabricación ajustada y el énfasis en el control de calidad mejorado han llevado a un redescubrimiento de la tecnología de inducción, junto con el desarrollo de fuentes de alimentación de inducción de estado sólido controladas con precisión.
¿Qué hace que este método de calentamiento sea tan único? En los métodos de calentamiento más comunes, una antorcha o llama abierta se aplica directamente a la parte metálica. Pero con el calentamiento por inducción, el calor es en realidad «inducido» dentro de la propia pieza mediante la circulación de corrientes eléctricas.
El calentamiento por inducción se basa en las características únicas de la energía de radiofrecuencia (RF), la porción del espectro electromagnético por debajo de la energía infrarroja y de microondas. Dado que el calor se transfiere al producto a través de ondas electromagnéticas, la pieza nunca entra en contacto directo con ninguna llama, el inductor en sí no se calienta (consulte la Figura 1) y no hay contaminación del producto. Cuando se configura correctamente, el proceso se vuelve muy repetible y controlable.
Cómo funciona el calentamiento por inducción
¿Cómo funciona exactamente el calentamiento por inducción? Ayuda tener una comprensión básica de los principios de la electricidad. Cuando se aplica una corriente eléctrica alterna al primario de un transformador, se crea un campo magnético alterno. De acuerdo con la Ley de Faraday, si el secundario del transformador se encuentra dentro del campo magnético, se inducirá una corriente eléctrica.
En una configuración básica de calentamiento por inducción que se muestra en la Figura 2, una fuente de alimentación de RF de estado sólido envía una corriente alterna a través de un inductor (a menudo una bobina de cobre),y la pieza a calentar (la pieza de trabajo) se coloca dentro del inductor. El inductor sirve como transformador primario y la pieza a calentar se convierte en un cortocircuito secundario. Cuando una pieza metálica se coloca dentro del inductor y entra en el campo magnético, se inducen corrientes de foucault circulantes dentro de la pieza.
Como se muestra en la Figura 3, estas corrientes de foucault fluyen contra la resistividad eléctrica del metal, generando calor preciso y localizado sin contacto directo entre la pieza y el inductor. Este calentamiento ocurre con partes magnéticas y no magnéticas, y a menudo se conoce como el» efecto Joule», en referencia a la primera ley de Joule, una fórmula científica que expresa la relación entre el calor producido por la corriente eléctrica que pasa a través de un conductor.
Secundariamente, se produce calor adicional dentro de las partes magnéticas a través de histéresis, fricción interna que se crea cuando las partes magnéticas pasan a través del inductor. Los materiales magnéticos ofrecen naturalmente resistencia eléctrica a los campos magnéticos que cambian rápidamente dentro del inductor. Esta resistencia produce fricción interna que a su vez produce calor.
En el proceso de calentamiento del material, por lo tanto, no hay contacto entre el inductor y la pieza, y tampoco hay gases de combustión. El material a calentar puede ubicarse en un entorno aislado de la fuente de alimentación; sumergido en un líquido, cubierto por sustancias aisladas, en atmósferas gaseosas o incluso en vacío.
Factores importantes a considerar
La eficiencia de un sistema de calentamiento por inducción para una aplicación específica depende de varios factores: las características de la pieza en sí, el diseño del inductor, la capacidad de la fuente de alimentación y la cantidad de cambio de temperatura requerido para la aplicación.
Las características de la pieza
METAL O PLÁSTICO
En primer lugar, el calentamiento por inducción funciona directamente solo con materiales conductores, normalmente metales. Los plásticos y otros materiales no conductores a menudo se pueden calentar indirectamente calentando primero un susceptor de metal conductor que transfiere calor al material no conductor.
MAGNÉTICO O NO MAGNÉTICO
Es más fácil calentar materiales magnéticos. Además del calor inducido por las corrientes de foucault, los materiales magnéticos también producen calor a través de lo que se llama el efecto de histéresis (descrito anteriormente). Este efecto deja de ocurrir a temperaturas por encima del punto «Curie», la temperatura a la que un material magnético pierde sus propiedades magnéticas. La resistencia relativa de los materiales magnéticos se clasifica en una escala de «permeabilidad» de 100 a 500; mientras que los no magnéticos tienen una permeabilidad de 1, los materiales magnéticos pueden tener una permeabilidad de hasta 500.
GRUESO O DELGADO
Con materiales conductores, aproximadamente el 85% del efecto de calentamiento se produce en la superficie o» piel » de la pieza; la intensidad de calentamiento disminuye a medida que la distancia desde la superficie increases.So las piezas pequeñas o delgadas generalmente se calientan más rápidamente que las piezas gruesas grandes, especialmente si las piezas más grandes deben calentarse hasta el final.
La investigación ha demostrado una relación entre la frecuencia de la corriente alterna y la profundidad de penetración del calentamiento: cuanto mayor sea la frecuencia, menor será el calentamiento de la pieza. Las frecuencias de 100 a 400 kHz producen calor de energía relativamente alta, ideal para calentar rápidamente piezas pequeñas o la superficie/piel de piezas más grandes. Para el calor profundo y penetrante, se ha demostrado que los ciclos de calentamiento más largos a frecuencias más bajas de 5 a 30 kHz son los más efectivos.
RESISTIVIDAD
Si utiliza exactamente el mismo proceso de inducción para calentar dos piezas de acero y cobre del mismo tamaño, los resultados serán bastante diferentes. ¿Por qué? El acero, junto con el carbono, el estaño y el tungsteno, tiene una alta resistividad eléctrica. Debido a que estos metales resisten fuertemente el flujo de corriente, el calor se acumula rápidamente. Los metales de baja resistividad, como el cobre, el latón y el aluminio, tardan más en calentarse. La resistividad aumenta con la temperatura, por lo que una pieza de acero muy caliente será más receptiva al calentamiento por inducción que una pieza fría.
Diseño del inductor
Es dentro del inductor que el campo magnético variable requerido para el calentamiento por inducción se desarrolla a través del flujo de corriente alterna. Por lo tanto, el diseño del inductor es uno de los aspectos más importantes del sistema en general. Un inductor bien diseñado proporciona el patrón de calentamiento adecuado para su pieza y maximiza la eficiencia de la fuente de alimentación de calentamiento por inducción, al tiempo que permite una fácil inserción y extracción de la pieza.
Capacidad de la fuente de alimentación
El tamaño de la fuente de alimentación de inducción necesaria para calentar una pieza en particular se puede calcular fácilmente. En primer lugar, se debe determinar cuánta energía se necesita transferir a la pieza de trabajo. Esto depende de la masa del material que se calienta, el calor específico del material y el aumento de temperatura requerido. También se deben considerar las pérdidas de calor por conducción, convección y radiación.
Grado de cambio de temperatura Requerido
Finalmente, la eficiencia del calentamiento por inducción para aplicaciones específicas depende de la cantidad de cambio de temperatura requerido. Se puede acomodar una amplia gama de cambios de temperatura; como regla general, generalmente se utiliza más potencia de calentamiento por inducción para aumentar el grado de cambio de temperatura.